DE10154921A1 - Hydrostatische Axialkolbenmaschine in Triebflanschbauweise - Google Patents
Hydrostatische Axialkolbenmaschine in TriebflanschbauweiseInfo
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Abstract
Description
- Die Erfindung betrifft eine hydrostatische Axialkolbenmaschine mit einer Triebwelle, einem mit der Triebwelle verbundenen Triebflansch, einer Mehrzahl von in einem Zylinderblock konzentrisch angeordneten Zylinderbohrungen mit jeweils einem darin längsbeweglichen Kolben, der mittels eines sphärischen Gelenks mit dem Triebflansch gekoppelt ist, wobei die Rotationsachse des Zylinderblocks zur Rotationsachse der Triebwelle geneigt oder neigbar ist.
- Gattungsgemäße Axialkolbenmaschinen, die auch als "Axialkolbenmaschinen in Schrägachsenbauweise" bezeichnet werden, sind in vielfachen Ausgestaltungen bekannt. Die auf dem Markt erhältlichen Einzeltriebwerke verfügen - bedingt durch die Anordnung der Triebwelle und des Zylinderblocks - über einen fliegend gelagerten Wellenstummel zum Antrieb oder Abtrieb. An diesem Wellenstummel ist der Triebflansch angeformt. Eine durchgehende Triebwelle, wie sie bei Axialkolbenmaschinen in Schrägscheibenbauweise verwendet wird, ist nicht vorhanden.
- Bei der beschriebenen klassischen Bauweise entstehen bei hohen Drehzahlen durch die Kolbenmasse hohe, radial nach außen wirkende Fliehkräfte. Dies kann infolge Reibung in der Zylinderwand zu einer unerwünschten wärmebedingten Ausdehnung des Kolbens und damit zum Klemmen des Kolbens in der Zylinderbohrung führen. Zudem bewirken die Massenkräfte durch den Versatz in axialer Richtung ein störendes, den Zylinderblock von der Steuerfläche abkippendes Moment, das durch entsprechend groß dimensionierte Feder- Anpresskräfte kompensiert werden muss und damit zu reibungsbedingten Verlusten führt.
- Werden Axialkolbenmaschinen in Triebflanschbauweise als Pumpen eingesetzt, bei denen die Förderrichtung des Fluids bei gleichbleibender Drehrichtung der Triebweile umkehrbar sein soll, so muss der Neigungswinkel des Zylinderblocks über den Nullförderpunkt hinaus in die Gegenrichtung einstellbar sein. Durch den für das Verschwenken des Zylinderblocks frei zu haltenden Platz führt dies zu relativ großen Gehäusen, die sich bei der Abstrahlung von Geräuschen sehr ungünstig verhalten.
- Die Drehmomentübertragung (Mitnahme) zwischen Triebflansch und Zylinderblock wird auf verschiedene Weise gelöst. So gibt es Maschinen, bei denen die Mitnahme durch mit den Kolben verbundene Pleuelstangen erfolgt, wobei in einer ersten bekannten Ausführung die Pleuelstangen mit den Kolben einstückig sind und in einer zweiten bekannten Ausführung die Pleuelstangen gelenkig mit den Kolben verbunden sind. Andere Triebwerke weisen gesonderte Mitnahmewellen auf. Schließlich gibt es auch Maschinen mit einer Verzahnung zwischen Triebflansch und Zylinderblock, die für eine drehsynchrone Verbindung dieser Bauteile sorgt. Insgesamt sind die bekannten Mitnahmen fertigungstechnisch aufwendig und stellen darüber hinaus in vielen Fällen eine Schwachstelle der Maschine dar.
- Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine gattungsgemäße Axialkolbenmaschine zur Verfügung zu stellen, die geringe Abmessungen aufweist, robust aufgebaut und für hohe Drehzahlen geeignet ist.
- Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass sich der Schnittpunkt der Rotationsachse der Triebwelle mit einer Ebene, in der die Gelenkmittelpunkte angeordnet sind, innerhalb der Axialerstreckung des Zylinderblocks befindet.
- Der erfindungswesentliche Gedanke besteht demnach darin, bei der eingangs beschriebenen, nach dem Schrägachsenprinzip wirkenden Axialkolbenmaschine die Gelenke innerhalb des Zylinderblocks anzuordnen. Dadurch werden Vorteile erzielt, wie sie für eine Axialkolbenmaschine in Schrägscheibenbauweise typisch sind. Die Abmessungen der erfindungsgemäßen Axialkolbenmaschine werden gegenüber den Maschinen des bekannten Standes der Technik sowohl in axialer als auch in radialer Richtung reduziert. Die Masse des Zylinderblocks lässt sich drastisch verringern, wodurch die Maschine drehzahlfester wird. Die erfindungsgemäße Axialkolbenmaschine kann sowohl als Pumpe als auch als Motor eingesetzt werden.
- Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind mit Vorteil die sphärischen Gelenke jeweils als Drehmoment-Übertragungsmittel und die Kolben als querkraftfreie Kolben ausgebildet. Der Zylinderblock wird bei angetriebener Triebwelle also von den sphärischen Gelenken bzw. den fingerförmigen Erhöhungen mitgenommen und in Drehung versetzt. Die Kolben bleiben frei von Querkräften und müssen lediglich abdichten. Diese Bauweise ist einerseits fertigungstechnisch gut beherrschbar, andererseits wird dadurch eine stabile Mitnahme des Zylinderblocks erzielt, wobei das Spiel in der Kraftübertragung minimiert ist.
- In Weiterbildung der Erfindung weisen die sphärischen Gelenke jeweils eine Kugel auf, die auf einer fingerförmigen Erhöhung des Triebflansches angeordnet ist und in eine Kugelkalotte eintaucht, die in die Rückseite des zugeordneten Kolbens eingearbeitet ist. Die Gelenke sind also gewissermaßen in die Zylinderbohrungen hineingezogen.
- Es ist in Umkehrung dieses Prinzips jedoch auch eine Bauform möglich, bei der die sphärischen Gelenke jeweils eine Kugelkalotte aufweisen, die mit dem Triebflansch verbunden ist und in die eine Kugel eintaucht, die an der Rückseite des zugeordneten Kolbens angeformt ist.
- Schließlich können die sphärischen Gelenke jeweils eine Kugelkalotte aufweisen, die mit dem Triebflansch verbunden ist und in die eine Kugel eintaucht, die an einem Kolbenpleuel angeformt ist, wobei das Kolbenpleuel mit einer zweiten Kugel versehen ist, die in eine Kugelkalotte eintaucht, die in die Rückseite eines zylindrischen Kolbens eingearbeitet ist.
- Die Abdichtung zum Zylinderraum erfolgt an sich allein durch den Kolben. Eine verbesserte Abdichtung ergibt sich gemäß einer Weiterbildung der Erfindung dann, wenn der Kolben mit einem Kolbenring versehen ist.
- Sofern der Kolbenring im Bereich axial zwischen dem innerhalb des Kolbens angeordneten Gelenkmittelpunkt und dem Triebflansch angeordnet ist, ergibt sich eine günstige Masseverteilung, bei der sich nahezu alle entstehenden Fliehkräfte auf dem Kugelgelenk abstützen. Störende Fliehkräfte werden dann lediglich von der sehr kleinen Masse des Dichtringes erzeugt.
- Weitere Vorteile ergeben sich, wenn der Zylinderblock eine zentrale Ausnehmung aufweist, durch die sich die Triebwelle hindurch erstreckt, die beiderseits des Zylinderblocks in einem Gehäuse gelagert ist. Die Triebwelle verfügt damit über eine sehr breite Lagerbasis.
- Ferner kann in Weiterbildung der Erfindung die Triebwelle am zylinderblockseitigen Ende auf einfache Weise mit Drehmomentübertragungsmitteln versehen werden. Dadurch ist ein Durchtrieb durch die erfindungsgemäße Axialkolbenmaschine möglich. Bei einem Einsatz als Pumpe kann daher das Antriebsmoment auf eine weitere anzutreibende Maschine, beispielsweise auf eine Hilfspumpe, übertragen werden.
- Sofern der Triebflansch auf der dem Zylinderblock abgewandten Seite mittels eines Axiallagers im Gehäuse abgestützt ist, können die vom hydraulischen Druck in den Zylinderbohrungen erzeugten Axialkräfte auf günstige Weise in das Gehäuse der Axialkolbenmaschine eingeleitet werden.
- Hierbei ist gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung das Axiallager als hydrostatisch entlastetes Gleitlager ausgebildet. Ein solches Axiallager vermag aufgrund der hydrostatischen Entlastung sehr hohe Axialkräfte aufzunehmen.
- Die erfindungsgemäße Axialkolbenmaschine kann als Konstanttriebwerk ausgebildet sein, d. h. als Triebwerk mit unveränderlichem spezifischem Verdrängungsvolumen (Fördervolumen einer Pumpe pro Umdrehung, Schluckvolumen eines Motors pro Umdrehung). Es ist in Weiterbildung der Erfindung jedoch auch möglich, dass der Zylinderblock schwenkbar gelagert ist, um die Neigung der Rotationsachse in bezug auf die Rotationsachse der Triebwelle einstellen und dadurch das Verdrängungsvolumen variieren zu können.
- Zweckmäßigerweise ist bei einer solchen Konstruktion der Zylinderblock auf der dem Triebflansch abgewandten Seite auf einem im Gehäuse schwenkbaren Wiegenkörper abgestützt. Diese Bauart, die an sich bei den Axialkolbenmaschinen in Schrägscheibenbauweise bekannt ist, weist eine hohe Funktionssicherheit auf. Sie eröffnet zudem prinzipiell die Möglichkeit, für die erfindungsgemäße Axialkolbenmaschine in Triebflanschbauweise Bauteile zu verwenden, die bereits in Axialkolbenmaschinen in Schrägscheibenbauweise zum Einsatz kommen.
- Es erweist sich als günstig, wenn der Zylinderblock im Bereich der zentralen Ausnehmung einen hohlkugelförmigen Abschnitt aufweist, in den ein kugelförmiger Abschnitt einer Anpresshülse eintaucht, die in der dem Triebflansch entgegengesetzten Richtung kraftbeaufschlagt ist.
- Durch die Anpresshülse wird der Zylinderblock geführt. Ferner wird der Zylinderblock auch dann in Richtung zur Steuerfläche gepresst, wenn noch kein oder nur unzureichender hydrostatischer Druck in den Zylinderbohrungen ansteht.
- Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden anhand der in den schematischen Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Dabei zeigt
- Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Axialkolbenmaschine,
- Fig. 2 einen Teil-Längsschnitt durch einen Zylinderblock im Bereich einer Zylinderbohrung,
- Fig. 3 einen Längsschnitt durch eine erste Variante der Axialkolbenmaschine,
- Fig. 4 einen Längsschnitt durch eine zweite Variante der Axialkolbenmaschine und
- Fig. 5 einen Längsschnitt durch eine dritte Variante der Axialkolbenmaschine.
- Die erfindungsgemäße Axialkolbenmaschine verfügt über ein Gehäuse 1, das aus einem Gehäusetopf 1a und einem Gehäusedeckel 1b besteht. Im Gehäuse 1 ist eine Triebwelle 2 um eine Rotationsachse RT drehbar gelagert, die einen nach außen geführten Zapfen 2a zur Einleitung/Übertragung eines Antriebs-/Abtriebsdrehmoments und einen angeformten Triebflansch 3 aufweist.
- Axial benachbart zum Triebflansch 3 ist ein Zylinderblock 4 angeordnet, der mit Zylinderbohrungen 5 versehen ist, die konzentrisch zu einer Rotationsachse R2 des Zylinderblocks 4 sind. In jeder Zylinderbohrung 5 ist ein Kolben 6 längsbeweglich. Der Zylinderblock 4 ist mit einer zentralen Ausnehmung 4a versehen, durch die sich die Triebwelle 2 hindurch erstreckt. Die Triebwelle 2 ist einerseits im Gehäusetopf 1a und andererseits im Gehäusedeckel 1b gelagert (beidseitige Wellenlagerung) und kann am zylinderblockseitigen Ende mit Drehmomentübertragungsmitteln versehen sein, um einen Durchtrieb durch die Axialkolbenmaschine hindurch zu ermöglichen (z. B. zwecks Antriebs einer Hilfspumpe). Zu diesem Zweck ist der Gehäusedeckel 1b mit einer Öffnung im Bereich der Triebwelle 2 versehen.
- Der Zylinderblock 4 weist im Bereich der zentralen Ausnehmung 4a einen hohlkugelförmigen Abschnitt 4b auf, in den ein kugelförmiger Abschnitt 7a einer Anpresshülse 7 eintaucht. Die Anpresshülse 7 ist durch eine Tellerfeder 8 in der dem Triebflansch 3 entgegengesetzten Richtung kraftbeaufschlagt und drückt daher den Zylinderblock 4 in Richtung eines Wiegenkörpers 9. Der Wiegenkörper 9 ist im Gehäusedeckel 1b um eine Achse schwenkbar gelagert (z. B. mittels einer hydrostatischen Gleitlagerung), die senkrecht zu den Rotationsachsen RT und RZ der Triebwelle 2 bzw. des Zylinderblocks 4 angeordnet ist.
- Je nach Stellung des Wiegenkörpers 9 ist die Rotationsachse RZ des Zylinderblocks 4 zur Rotationsachse RT der Triebwelle 2 mehr oder weniger stark geneigt oder - in Nullstellung - koaxial zu dieser angeordnet. Der Wiegenkörper 9 ist ausgehend von der Nullstellung nach beiden Seiten schwenkbar. Die Einrichtungen zum Verschwenken des Wiegenkörpers 9 sind in der Figur nicht dargestellt.
- Auf der dem Zylinderblock 4 zugewandten Stirnseite des Triebflansches 3 sind fingerförmige Erhöhungen 10 angeformt, an deren Ende jeweils eine Kugel 10a gebildet ist. Die Erhöhungen 10 bzw. die Kugeln 10a korrespondieren zu den Zylinderbohrungen 5 bzw. den Kolben 6. Jede Kugel 10a taucht in eine auf der Rückseite des zugeordneten Kolbens 6 angeformte Kugelkalotte 6a ein und bildet somit zusammen mit dieser ein sphärisches Gelenk G.
- Bei einer Rotation der Triebwelle 2 und damit des Triebflansches 3 rotiert auch der Zylinderblock 4, wobei die Mitnahme im Bereich der Umbördelung der Kolben 6 erfolgt, also durch das sphärische Gelenk G. Infolge der Neigung der Rotationsachse RZ des Zylinderblocks 4 geht eine Rotation des Zylinderblocks 4 mit einer Längsbewegung der Kolben 6 in den Zylinderbohrungen 5 einher und - umgekehrt - erzeugt eine Verdrängung des Kolben 6 in der Zylinderbohrung 5 eine Drehbewegung der Triebwelle 2.
- Um eine Ausgleichsbewegung zwischen den beiden schräg zueinander rotierenden Teilkreisen der sphärischen Gelenke G und der Zylinderbohrungen 5 zu ermöglichen, sind die Kolben 6 im Dichtbereich sphärisch ausgebildet und die Kugelmittelpunkte des sphärischen Kolbens 6 und des sphärischen Gelenks G in axialer Richtung versetzt. Es ergibt sich daher während der Drehbewegung des Zylinderblocks 4 ein Pendeleffekt der Kolben 6, d. h. die Kolben 6 vollführen eine pendelnde Ausgleichsbewegung um den Mittelpunkt M der sphärischen Gelenke G. Die Kolben 6 sind durch die Mitnahme des Zylinderblocks 4 mittels der Gelenke G stets querkraftfrei.
- Die Steuerung der Zufuhr und Abfuhr von Druckmittel erfolgt mit Hilfe einer in den Figuren nicht näher dargestellten Steuerfläche, die beispielsweise auf der flachen Stirnseite des Wiegenkörpers 9 angeordnet ist. Es ist im Prinzip aber auch möglich, die Steuerung an einer anderen dafür geeigneten Stelle der Axialkolbenmaschine anzuordnen.
- Die durch den hydrostatischen Druck in den Zylinderbohrungen 5 erzeugten Axialkräfte werden von einem zwischen dem Triebflansch 3 und dem Gehäusetopf 1a angeordneten Axiallager 11 aufgenommen, das bevorzugt als hydrostatisch entlastetes Gleitlager ausgebildet ist und im vorliegenden Ausführungsbeispiel aus mehreren Ausgleichskolben 11a und einer kreisringförmigen Laufscheibe 11b besteht.
- Die Mittelpunkte der Gelenke G (Gelenkmittelpunkte M) sind in einer gemeinsamen Ebene E angeordnet, deren Schnittpunkt S mit der Rotationsachse RT der Triebwelle 2 (durch den Schnittpunkt S verläuft auch die Achse, um die der Zylinderblock 4 schwenkbar ist) innerhalb der Axialerstreckung des Zylinderblocks 4 angeordnet ist. Die Gelenkmittelpunkte M befinden sich daher auch bei voll ausgeschwenktem Zylinderblock 4 in ihrer Mehrheit innerhalb der Zylinderbohrungen 5. Beim Verschwenken des Zylinderblocks 4 taucht dieser im Vergleich zu den üblichen Axialkolbenkolbenmaschinen in Triebflanschbauweise wesentlich weniger in radialer Richtung ein bzw. aus. Diese Konstruktion ermöglicht daher äußerst kompakte Abmessungen.
- Um eine optimale Abdichtung der Kolben 6 in den Zylinderbohrungen 5 zu erzielen, sind die Kolben 6 jeweils mit einem Kolbenring 12 versehen. Bei der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform befindet sich der Kolbenring 12 jeweils axial zwischen dem Gelenkmittelpunkt M und dem Triebflansch 3. Der Dichtbereich befindet sich also etwas hinter dem Gelenk G. Die Massenverteilung des Kolbens 6 kann daher so gestaltet werden, dass sich nahezu alle entstehenden Fliehkräfte auf dem Gelenk G abstützen. Störende Fliehkräfte werden lediglich durch die sehr kleine Masse des Kolbenringes 12 erzeugt.
- Die in Fig. 3 dargestellte Ausführungsform der Erfindung unterscheidet sich von der Ausführungsform gemäß Fig. 1 im wesentlichen dadurch, dass das Bauprinzip der Gelenke G umgekehrt ist. Hierbei ist jeweils eine Kugelkalotte 3a der sphärischen Gelenke G mit dem Triebflansch 3 verbunden bzw. auf axialen Erhöhungen des Triebflansches 3 angeordnet. In die Kugelkalotte 3a taucht eine Kugel 6b ein, die an der Rückseite des zugeordneten Kolbens 6 angeformt ist.
- Der Triebflansch 3 kann, wie in Fig. 3 gezeigt, getrennt von der Triebwelle 2 gefertigt und z. B. durch eine Keilverzahnung oder eine andere geeignete Welle-Nabe-Verbindung drehsynchron mit der Triebwelle 2 gekoppelt sein.
- Bei der in Fig. 4 dargestellten Ausführungsform der Erfindung weist die erfindungsgemäße Axialkolbenmaschine konstantes Verdrängungsvolumen auf. Der Zylinderblock 4 ist direkt, also ohne Wiegenkörper, auf dem Gehäusedeckel 1b abgestützt, der auf seiner Innenseite schräg ausgebildet ist.
- Die Gelenke G sind hier jeweils zwischen einer triebflanschseitigen Kugelkalotte 3a und einer Kugel 13a einer Pleuelstange 13 gebildet. Am anderen Ende der Pleuelstange ist jeweils ein zweite Kugel 13b angeformt, die in eine Kugelkalotte 14a an der Rückseite eines zylindrischen Kolbens 14 eintaucht, der zylindrisch ausgebildet ist und auf Grund seiner Länge keinen Kolbenring benötigt.
- Fig. 5 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung, bei der der Triebflansch 3 fliegend gelagert ist. Bei dieser Bauform ist es nicht zwingend erforderlich, dass der Zylinderblock 4 eine zentrale Ausnehmung 4a aufweist. Wie in der Figur dargestellt, ist dies aber durchaus möglich, um das Drehmoment der Triebwelle 2 z. B. durch eine Keilverzahnung 15 im Bereich des Triebflansches 3 abgreifen zu können.
- Die Triebwelle 2 ist durch zwei Kegelrollenlager 16, 17 im Gehäuse 1 gelagert. Auf ein gesondertes Axiallager wird in diesem Ausführungsbeispiel verzichtet, da das dem Triebflansch 3 benachbarte Kegelrollenlager 17 entsprechend kräftig dimensioniert ist.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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8127 | New person/name/address of the applicant |
Owner name: LINDE MATERIAL HANDLING GMBH & CO. KG, 63743 A, DE |
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8127 | New person/name/address of the applicant |
Owner name: LINDE MATERIAL HANDLING GMBH, 63743 ASCHAFFENB, DE |
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8110 | Request for examination paragraph 44 | ||
R016 | Response to examination communication | ||
R082 | Change of representative |
Representative=s name: GEIRHOS & WALLER PATENT- UND RECHTSANWAELTE, DE |
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R081 | Change of applicant/patentee |
Owner name: LINDE HYDRAULICS GMBH & CO. KG, DE Free format text: FORMER OWNER: LINDE MATERIAL HANDLING GMBH, 63743 ASCHAFFENBURG, DE Effective date: 20130820 |
|
R082 | Change of representative |
Representative=s name: GEIRHOS & WALLER PATENT- UND RECHTSANWAELTE, DE Effective date: 20130820 Representative=s name: PATENTSHIP PATENTANWALTSGESELLSCHAFT MBH, DE Effective date: 20130820 |
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R082 | Change of representative |
Representative=s name: PATENTSHIP PATENTANWALTSGESELLSCHAFT MBH, DE |
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R082 | Change of representative |
Representative=s name: PATENTSHIP PATENTANWALTSGESELLSCHAFT MBH, DE |
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R119 | Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee |